多种通信方式系统的一体化航标灯设计_刘罕.pdf

2023-01第 1 期水 上 安 全Maritime Safety420 引言海上航标作为提供助航服务的重要组成部分，航标管理部门一直致力于提升海上航标管理水平，其中，一体化航标灯技术集成度高，工作性能稳定可靠；智能化水平高，有灯器自动控制、全球定位系统（global positioning system,GPS）定位、电源智能化管理与保护、异常自动报警、状态定时报告、遥测遥控、多种数字通信方式等功能，灯器可自动采集位置、电源电压、工作电流等信息，并通过网络实现数据的实时传输。方便航标管理人员实时掌握航标的工作状态，有针对性地开展航标巡检和航标失常修复工作，使得航标管理更加高效；一体化航标灯拆装便利、维护方便，能够有效减少一线航标工人劳动强度。一体化太阳能航标灯重量轻、体积小，整个灯器总质量仅为 8 kg，安装简单，只需安装固定螺丝引用格式：刘罕，邝燊琅，罗思明.多种通信方式系统的一体化航标灯设计J.水上安全，2023（1）：42-45.(LIU Han,KUANG Shenlang,LUO Siming.Integrated navigation lantern design of multiple communication systemsJ.Maritime Safety,2023(1):42-45.)收稿日期：2022-10-18第一作者简介：刘罕，男，大学，工程师，从事航标管理工作。多种通信方式系统的一体化航标灯设计刘 罕，邝燊琅，罗思明（交通运输部南海航海保障中心港珠澳大桥航标处，广东 珠海 519080）摘要：现代海上航运发展迅猛，航海用户对于海上助航标志的服务需求也日益增加，因此，对于航标管理者而言，需要及时掌握航标动态信息，提高助航服务的可靠性以满足用户需求。本文提出一种基于北斗卫星导航系统（BDS）、全球定位系统（GPS）和通用分组无线服务（GPRS）的多种通信方式系统的一体化航标灯器的设计构想，通过多个通信系统的优势互补，提高在偏远海域及远离大陆岛屿的航标管理能力。关键词：北斗卫星导航系统；全球定位系统；通用分组无线服务；一体化航标灯器中图分类号：TM615 文献标识码：A Integrated navigation lantern design of multiple communication systemsLIU Han,KUANG Shenlang,LUO Siming（Aton Department,Southern Navigation Service Center,Maritime Safety Administration of People s Republic of China,Zhuhai,Guangdong 519080,China）Abstract:With the rapid development of modern maritime shipping,navigation users have increasing demands for Aids to Navigation(AtoN).Therefore,for AtoN managers,it is necessary to possess the dynamic information of AtoN in time and improve the reliability of AtoN to meet the needs of users.This paper proposes a design concept of an integrated navigation lantern based on multiple communication systems of BeiDou Navigation Satellite System(BDS),Global Positioning System(GPS)and General Packet Radio Service(GPRS).Through the complementary advantages of multiple communication systems,it can improve the AtoN management ability in remote sea areas and islands far away from the mainland.Keywords:BeiDou navigation satellite system;global positioning system;general packet radio service;integrated navigation lantern第 1 期43刘罕，等.多种通信方式系统的一体化航标灯设计即可，免去了普通航标灯系统中大量设备固定、线路连接等操作，尤其方便了出海作业人员，不必携带大量工具及备用器材，缩短了海上作业时间，减少了海上作业难度。一体化航标灯器日常维护非常方便，只需对灯器外壳清洁即可，备用灯器也只需放在有光照的地方进行充放电。一体化太阳能航标灯采用高效的发光二极管（light emitting diode，LED）点光源，耗电量低、工作电流小，仅需 3.5 W 功耗即可达到 5 海里的灯光射程；它利用锂电池储能，绿色环保，解决了应用铅酸电池存在的污染问题，实现了航标灯器的绿色运行，符合节能环保的时代发展需求及节能减排的产业导向。因此，一体化航标灯的发展与运用受到了技术人员的重点关注。长期以来，航标通信管理方式主要为GPS 接收机为主1，将 GPS 元件固定于航标上，通过公共网络系统传送一体化灯器的相关信息如位置、灯器工作的电流、电压等，航标管理人员借此对航标实现监控；然而，部分海上航标常布设于远离公共通信网络的偏远海域，此类地区通信信号不稳定，因此，基于 GPS 终端的实时数据采集功能具有一定局限性。近年来，随着我国北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）的精度提高，基于BDS 定位的航标遥测遥控系统也开始运用于航标的维护管理当中，例如在粤港澳大湾区主要航道，BDS航标系统已经实现全面覆盖。然而，目前航标遥测遥控模式一般为采用以上2种通信方式的其中一种。在日常航标管理中，会出现信号反馈不及时造成航标管理人员无法掌握航标动态信息。因此，本文提出一种基于多种通信方式系统的一体化航标灯，旨在实现多个通信系统的信息备份，充分发挥多种通信系统的优势，提高航标一体化灯器的通信稳定性。1 航标灯定位系统概况1.1 北斗卫星导航系统 BDS 使用三种轨道卫星混合星座，其抗遮挡能力强，在低纬度地区的通信能力优势明显，尤其适合南海航海保障中心海区管理范围。近年来，南海航海保障中心海区管理范围内的主要航道已经实现航标 BDS 终端应用全覆盖。然而在航标管理实际运用中，BDS终端的通信数据受流量限制，回传间隔时间较长，不利于对航标的实时跟踪。1.2 全球定位系统GPS 终端是航标常用的通信方式之一，管理人员将 GPS 终端加装于航标中，通过公共通信网络将灯器数据以及航标位移情况反馈到管理者。GPS 终端回传数据频率高，在实际运用中可做到30 s/次的传输频率，对航标的实时监控有显著帮助，但是在远离公共网络区域的海域，GPS 终端的数据采集能力较弱，特别遇到航标漂失的情况，GPS 终端难以做到对航标的准确跟踪。综合上述 2 种航标定位方式，本文提出一种基于多种通信方式的一体化航标灯的设计构想，其中定位采用 BDS 与 GPS 双定位系统，通信采用 BDS 与通用分组无线服务（general packet radio service，GPRS）双通信系统，充分发挥各部分优势，为航标通信稳定性增加保障。2 多种通信方式一体化航标灯的设计思路一体化航标灯设计思路如图 1 所示。图 1 中：无线电路板附有 4 种天线，分别是BDS 定位天线，BDS 通信天线，GPS 定位天线以及 GPRS 通信天线；BDS 通信天线与 BDS 定位天线链接 BDS 卫星通信模块，即 BDS 定位与通信同属一个模块；另外，GPS 定位天线与 GPRS通信天线分别单独链接对应的模块；3 个模块同时连接一体化灯器主板，主板元件为 STM32 中央处理器，主板连接有 LED 灯盘、温度传感器以及光伏发电所需的太阳能板。一体化航标灯外观设计如图 2 所示。一体化航标灯器包括灯器箱体 1 和发光单元2。灯器箱体 1 安装在底座 2 上，灯器箱体 1 顶部设置有箱体上盖 11。灯器箱体 1 的表面覆盖着水上安全2023 年 第 1 期44太阳能电池板 12，灯器箱体 1 内设置有蓄电池13，太阳能电池板 12 通过太阳能充电管 14 与蓄电池 13 电连接。太阳能电池板 12 采集的电能一部分供给发光单元使用，一部分经过太阳能充电管 14 后储存在蓄电池 13 中，用于在阴雨天或夜晚等微光环境使用。灯器箱体 1 为长方形，底座2 为圆形。发光单元为圆柱形，发光单元固定在灯器箱体 1 上，发光单元包括透镜灯罩 3 和设置于透镜灯罩 3 内的控制机构 4。透镜灯罩 3 与箱体上盖11 通过透镜固定法兰 31 相连接，使连接结构稳固并保证密封性，避免透镜灯罩 3 内进水产生腐蚀。透镜灯罩 3 的顶部设置有防鸟针 33，防止飞鸟降落造成的损坏和污染。防鸟针 33 的底部设置有拆装助力螺母 32，使透镜灯罩 3 的拆装更省力。透镜灯罩 3 将内部控制机构 4 发出的光更好的发散出去。控制机构 4 自上而下包括天线固定板 41、两块灯盘 43、通信电路板 44 和主控制板 45。天线固定板 41 上集成 BDS 定位天线、BDS 通信天线、GPRS 通信天线和 GPS 定位天线。通信电路板 44上设置有 BDS 卫星通信模块和 GPS 定位模块，主控制板 45 的下方设置有 GPRS 通信模块。主控制板 45 上设置有中央处理器，该中央处理器采用 STM32L151R6 芯片，中央处理器与灯盘 43 和太阳能电池板 12 电连接，中央处理器还与 BDS卫星通信模块、GPRS 通信模块、GPS 定位模块电连接，BDS 卫星通信模块与 BDS 定位天线和BDS 通信无线电连接，GPRS 通信模块与 GPRS通信无线电连接，GPS 定位模块与 GPS 定位模块电连接。灯盘 43 的周围设置有若干 LED 灯珠，天线固定板 41、灯盘 43、通信电路板 44 和主控制板45通过若干贯穿灯盘43的固定柱42相连接，LED 灯珠具有良好的发光和散热效果，并通过温度传感器进行监测。综上所述，一体化航标灯采用 BDSS/GPS/GPRS 的多种通信方式，实现与外界的智能化信息交换和导航定位，交流方式多样，通过太阳能电池板 12 采集电能，为控制机构 4 供电并将电能储存在蓄电池 13 中，控制机构 4 采用多层固定连接的结构，保证灯盘 43 的灯光输出、天线的信号收发、处理器的信号处理。主板内的数据采集模块将对应的信息数据储存，储存的数据库通过 BDS 通信以及 GPRS 通信方式传送给卫星，海事部门通过地面的信息接收站台接受卫星信息，最终传输至遥测遥控系统的图 2 一体式航标灯外形设计 图 1 一体化航标灯设计结构天线电路板BDS卫星通信模块CPRS通信模块CPS定位模块太阳能充电管太阳能电池板LED灯盘LED灯盘主板STM32中国处理器温度传感器蓄电池BDS定位天线BDS通信天线CPS定位天线CPRS通信天线第 1 期45刘罕，等.多种通信方式系统的一体化航标灯设计终端显示页面。通过遥测遥控系统终端，管理人员可以在电脑上查看航标名称与标号，航标灯的工作电流与电压，充电电流与电压、定位经纬度、数据采集时间以及航标灯周围温度等信息。对于漂失定位精度设置为1 m，电压精确至0.1 V，电流精确至0.01 A，环境温度精确至 1。3 多种通信方式一体化航标灯的意义（1）提高对漂失航标追踪的